EGS4功能和粒子与物质的相互作用

EGS4可以模拟光子和电子联合输运的真实过程。
粒子与物质的相互作用是EGS4的物理基础,也是我们理解X射线分布情况的理论基础,使用经验公式或图表进行辐射计算时,对这一问题并不需要过多了解,但EGS4是真切模拟粒子在物质中的输运过程,建立正确的物理模型,计算精确的计量分布,就必须深入了解粒子与物质相互作用的物理机制。
带电粒子与物质的相互作用
带电粒子与物质的相互作用类型:
带电粒子与物质作用可以利用经典碰撞参数b和原子半径a相比较来分类。
A b>>a,这种作用类型称为“软”碰撞,带电粒子基本上与整个原子通过库伦电场相 互作用,使该原子激发或者电离;在固体或者液体中,会使物质极化;在一定条件下,会发射契伦克夫光。
B b~a,这种作用称为“硬碰撞”,入射带电粒子基本上与原子的“自由”电子作用,产生delta射线。同时伴随特征X射线或者角电子的产生。
C b<<a,此时带电粒子会与原子核发生弹性碰撞(导致粒子路径崎岖的主要原因)或者 非弹性碰撞(韧致幅射)。
D 除此之外,正带电粒子会与反物质发生飞行湮灭。
E 另外,重带电粒子还可能与原子核发生链式反应。
X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用一次就可能损失全部能量或大部分能量,而未与物质发生相互作用的X射线将保持初始的能量穿过物质,因此用作用截面来描述它与物质的相互作用,作用截面的物理意义是一个光子与单位面积上一个原子发生作用的几率,它具有面积的量纲。
能量在十几KeV到十几MeV范围内的X射线与物质的相互作用主要有三类过程:光电效应、康普顿效应和电子对效应。这三类效应的反应截面与X射线的能量有关,但在一定的能量区域只有一种效应占优势,对于低能X射线和原子序数高的吸收物质,光电效应占优势;中能X射线和原子序数低的吸收物质,康普顿效应占优势;而对于高能X射线和原子序数高的吸收物质,电子对效应占优势。
光子与电子的耦合输运
非带电粒子与物质的反应类型有:
A 康普顿散射
B 光电效应
C 对产生
D 瑞利散射
E 光核反应
从上面可见,光子可以产生电子,而电子也可以产生光子,实际物理过程是光子与电子的耦合输运过程。下表显示了耦合输运的物理过程。
反应类型及物理过程 光电效应

康普顿散射

对生成

三产生

光子产生电子 电子 光子、电子 电子、

正电子

两个电子、

正电子

电子通过轫致辐射产生光子。

反应类型及物理过程 轫致辐射 静止湮灭 飞行湮灭
正电子产生光子 轫致光子 两个光子 两个光子
对于两种粒子的耦合输运问题,使用蒙特卡罗方法模拟时,采用“字典编辑多支方法”处理”。首先确定模拟哪种粒子,存储哪种粒子。例如确定模拟电子,存储光子。即:光子与原子核发生作用时,如发生康普顿散射时,把光子存储起来,去模拟电子。如发生其它反应,直接模拟电子。在电子模拟过程中,如产生光子,存储起来,继续模拟电子。电子历史终止后,按照“后进先出”的原则取出存储的光子。重复上述过程,直到存储的光子完全模拟完。

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